Proč je zlato zlaté? Může za to – teorie relativity.

Za svůdnou a jedinečnou barvu zlatých předmětů může stejný jev, který nutí letící hůl ke zkracování délky. Co Einstein netušil – a přesto to objasňuje chování těžkých chemických prvků?

Chemické prvky se liší svými vlastnostmi. Už v minulém století zjistili vědci, že se zároveň navzájem liší počtem protonů v jádře a elektronů v obalu. Jsou to právě elektrony, které jsou základem vědy, které říkáme chemie. Jejich rozmístění a chování určují chemické vlastnosti jednotlivých prvků.

Příroda nenechala nic náhodě, a tak jsou elektrony umístěny kolem jádra v přísně dodržované hierarchii. Nacházejí se jen v určitých oblastech, kterým říkáme orbitaly. Tak jako v hierarchii velké firmy, mají elektrony v orbitalech své specifické místo a hrají svou vlastní roli.

Čím dále se nacházejí elektrony od jádra atomu, tím jednodušeji se mohou podílet na vazbách s jinými prvky. Daly by se srovnat s obchodními zástupci, kteří firmu reprezentují a jednají se zákazníky a jinými firmami. I když se to zdá neuvěřitelné, jsou veškeré chemické vazby a všechna různorodost chemických reakcí jen hrou několika málo vyvolených, vnějších elektronů v obalech atomových jader.

To, jak efektivně se bude naše pomyslná firma chovat, samozřejmě závisí také na práci ostatních spolupracovníků – vnitřních elektronů, které se samy na tvorbě vazeb s jinými prvky nepodílí. Stejně tak je stav firmy závislý na mnoha různých jiných faktorech. Jedním z nich je například velikost firmy a poměry, které v ní panují.

U hodně těžkých prvků nacházíme značně komplikované poměry. Čím vyšší je náboj jádra (tedy čím více protonů má), tím rychleji se musí pohybovat jeho vnitřní elektrony. (Známe to všichni – někteří musí prostě ve firmě „kmitat“ rychleji.)

Může to dojít až tak daleko, že se rychlost elektronů ve vnitřních orbitalech začíná přibližovat rychlostem, při kterých se už začíná projevovat teorie relativity. Elektrony, pohybující se vysokou, relativistickou rychlostí, jsou těžší, jejich čas plyne zpomaleně. Výsledkem je deformace orbitalů. Smrští a přiblíží se k jádru atomu. Jevu se říká vnitřní relativistický efekt.

Ten má pro změnu za následek, že se kladný náboj jádra atomu takovýmito orbitaly odstíní efektivněji, než obyčejnými, nerelativistickými orbitaly u prvků, které jsou relativně lehké.

Lépe odstíněné jádro nemá tak velký přitažlivý vliv na vnější elektrony, které se nacházejí ve vnějších elektronových orbitalech. Jejich orbitaly, tedy dráhy, po kterých se pohybují, se také deformují. Na rozdíl od vnitřních relativistických orbitalů se ale nesmršťují, naopak se protahují, čemuž se říká vnější relativistický efekt.

Když takové atomové elektronové obaly porovnáme s orbitaly lehčích a relativistickými jevy nezatížených prvků zjistíme, že se jejich elektrony mohou lépe přemisťovat a opouštět svou původní energetickou úroveň. Stačí jim k tomu v porovnání s „běžnými“ atomy méně energie.

Děje se to v praxi vůbec a odkud tato energie přichází?

Ano, skutečně se to děje. Elektrony mohou energii v určitých případech získat například ze světla. Světlo je proud fotonů, částic, které nemají klidovou hmotnost, zato ale mají určitou energii. Ta je závislá na vlnové délce těchto fotonů. Pokud je energie fotonu vhodná a odpovídá energii, kterou potřebuje elektron ke svému „výletu“, nic nestojí v cestě tomu, aby byl foton pohlcen a použit.

Zlato a relativistické efekty, které mu dávají barvu

Zlato patří k těžkým chemickým prvkům. Ve svém jádře má 79 protonů, jejichž náboj vyvažuje 79 elektronů v atomovém obalu.

Těžké jádro je nutí pohybovat se rychlostí, která vyvolává relativistické efekty, popsané výše. V tomto konkrétním případě postačí vnějšímu elektronu už energie fotonů modré barvy k tomu, aby změnily své působiště.

Proč právě modrá barva - bílé světlo přeci obsahuje různé vlnové délky? Proč ne červená nebo žlutá?

Otázka je oprávněná a odpověď na ni je jednoduchá. Fotony, které odpovídají modré barvě, v sobě nesou největší podíl energie. Ostatní vlnové délky mají energii menší. Ta není pro daný účel vhodná.  

V praxi to znamená, že zlato (na rozdíl od lehčího stříbra) pohltí a spotřebovává modrou frakci dopadajícího bílého světla.

Odfiltrováním modré frakce získává světlo, které se od povrchu zlata odrazí, svou zlatožlutou barvu.

Stříbro mimochodem tuto vlastnost nemá a nikdy mít nemůže. Jeho jádro je lehčí a relativistické jevy nejsou vyhraněné. Stříbro modrou světelnou frakci nepohlcuje, ale téměř všechny dopadající fotony odráží. Ne nadarmo se z něj dělají – skvělá zrcadla.

Za fascinující a jedinečnou barvu zlatých předmětů tedy mphou ... jevy spojené s teorií relativity,

kterou před více než 100 lety zformuloval Albert Einstein.